專利名稱：一種實現微觀交通仿真器與駕駛模擬器交互式一體化實驗平臺的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于智能交通系統(tǒng)和交通仿真技術領域，更具體的說，本發(fā)明涉及一種實現微觀交通仿真器與駕駛模擬器交互式一體化實驗平臺的方法。
背景技術：
道路交通系統(tǒng)是由人、車、路、交通環(huán)境四大要素構成的復雜系統(tǒng)，這些要素既獨立作用又相互制約，共同決定了這個復雜系統(tǒng)的運行狀況。傳統(tǒng)的運用數學模型方法對駕駛行為進行理論分析存在很大的難度，而現場實證存在受實際場景的條件限制、實施成本大且安全性不高等問題，因此對駕駛行為進行實驗研究是一種新的技術手段。虛擬現實技術的發(fā)展使得虛擬駕駛實驗越來越成為目前學術研究和企業(yè)產品開發(fā)的熱點。近年來，隨著智能交通系統(tǒng)在我國的逐步實施，微觀交通仿真器(或稱之為微觀交通仿真軟件)在我國也得到了廣泛的應用，如VISSIM、PARAMICS、AIMSUN等。微觀交通仿真器是建立在以每個車輛的運行行為為基本單元，詳細描述交通系統(tǒng)的要素及行為細節(jié)的交通系統(tǒng)模型。每個車輛在道路上的跟車、超車以及車道變換等微觀行為都能得到較真實的反映。微觀交通仿真器是在個人計算中運行，在仿真開始前，一旦駕駛行為參數設定，仿真將按照設定的行為參數運行。它不能實時反映不同駕駛人在不同交通場景中的行為變化情況；同時由于人的行為(Human factors)多樣性，對于微觀仿真器中沒有涉及的人類交通行為參數，則不能進行仿真實驗。目前，駕駛模擬器作為一個專業(yè)的虛擬現實實驗工具已經成為道路交通研究、管理和設計部門在實驗室可控條件下研究交通問題的重要科學工具。它允許研究人員任意建立某個具有交通特定環(huán)境及交通動態(tài)特征的虛擬場景，并實現對駕駛車輛、交通車流、行人的動態(tài)參數和其它環(huán)境因素有條件的控制，在駕駛模擬系統(tǒng)上實現對各類道路交通問題的動態(tài)信息采集、參數分析和仿真實驗。傳統(tǒng)駕駛模擬器的工作流程主要為駕駛員控制試驗車在簡單的道路場景中單獨行駛，然后通過數據輸出，分析駕駛員的駕駛行為。在較為復雜的交通流場景下，對交通流的仿真主要采取固定式車流設置，即預先設定好周圍車輛的運動規(guī)律按固定的路線行駛，不能體現駕駛員所控制的車輛與周圍車輛之間的動態(tài)交互行為，更不能體現由于車流交互作用而引起的系統(tǒng)整體變化特征(如交通流的停車波、啟動波等)。即駕駛模擬器的優(yōu)勢在于對單個車行為的虛擬實驗，如何研究個體駕駛行為對交通流的影響實驗目前的技術和方法還“無能為力”。綜上所述，微觀交通仿真器和駕駛模擬器各存在優(yōu)缺點，如果把兩者結合起來，在駕駛模擬器上既有真實的駕駛員駕駛行為信息，虛擬場景中又有逼真的微觀交通流，就可以實現基于微觀交通仿真器的駕駛模擬綜合仿真，即本專利所申請的一種微觀交通仿真器與駕駛模擬器交互式一體化實驗平臺
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提出一種實現微觀交通仿真器與駕駛模擬器交互式一體化的方法。本發(fā)明提出的實現微觀交通仿真器與駕駛模擬器交互式一體化的方法，具體實施步驟如下:
(I)在微觀交通仿真器中建立實驗所需的交通環(huán)境，所述交通環(huán)境包括道路網絡信息、交通組織管理策略信息以及交通流的基本參數；
(2)選取試驗車
運行交通仿真，待交通流狀態(tài)穩(wěn)定時，根據仿真需要，選擇在某一適宜時間和適宜位置出現的車輛選取為試驗車，在仿真運行過程中記錄該車輛的ID，并且賦值給相應的控制模塊；
(3)利用數據讀取和轉化模塊完成對駕駛模擬器操作信號的實時提取，將提取的駕駛員的操作信號轉化為數據信息，例如將加減速信號轉化為踏板力度值，將轉彎信號轉化為方向盤變化角度等。然后，利用數據讀取和轉化模塊提取駕駛模擬器中反映駕駛員操作的數據信息，并且將其存儲在數據文件中，文件類型可以是數據庫文件或文本文件；
(4)開發(fā)數據讀取和轉化模塊，通過微觀仿真器的二次開發(fā)接口，將其嵌入進微觀交通仿真器中。令微觀交通仿真器同步讀取存儲反應駕駛員操作的數據文件，并通過相應轉化函數使反應駕駛員操作的數據文件轉化為微觀交通仿真器能夠識別的數據，將反映駕駛員操作的數據文件傳輸至試驗車的對應參數中，實現微觀交通仿真器中的試驗車按駕駛員的操作行駛。同時數據讀取和轉化模塊對仿真環(huán)境中非試驗車輛的相關參數進行保護，使其按照微觀交通仿真器中固有的仿真策略行駛；
(5)利用數據讀取和轉化模塊訪問微觀交通仿真器的數據庫模塊，將仿真過程中實時產生的試驗車數據及周圍相關車輛數據，從微觀交通仿真器中數據庫模塊中提取出來，存儲在數據文件中，進行實驗評價。本發(fā)明中，步驟(I)中所述道路網絡信息包括:路段的布局，道路的幾何特征，交叉口或者匝道口的流向控制，路段上的行為類型(市區(qū)、右行原則、高速公路、人行道、自行車道)和坡度及費用等。本發(fā)明中，步驟(I)中所述交通組織管理策略信息包括:減速或者停車控制，交叉口的信號控制，路段上的換道控制，沖突點、交織區(qū)和分合流點的優(yōu)先通行策略等。本發(fā)明中，步驟(I)中交通流基本參數包括:道路各個方向上的流量，車輛的類型和車輛組成結構，車輛的駕駛行為數據如跟車、變道、橫向行為基本參數，以及對交通信號的反應情況等。本發(fā)明中，步驟(3)中駕駛模擬器提取的數據信息包括:駕駛模擬器的方向盤角度，油門和剎車踏板的力度等。本發(fā)明中，步驟(4)中微觀交通仿真器與駕駛模擬器能夠相互影響。一方面，駕駛模擬器的數據能夠改變微觀交通仿真器中試驗車的數據，進而通過微觀交通仿真器的模擬模型改變交通運行狀態(tài)；另一方面，微觀交通仿真器能夠可視化顯示實時交通狀態(tài)，因此影響駕駛模擬器駕駛車輛的判斷、決策和操作。本發(fā)明中，步驟(5)中試驗車數據及相關車輛數據可以有選擇的提取，包括:仿真時間，試驗車及試驗車周圍車輛的坐標、速度、加速度，車道變換，車輛行駛方向與道路中心線所成角度，車輛與試驗車的車頭空距等。本發(fā)明利用了微觀交通仿真器的優(yōu)點，針對傳統(tǒng)駕駛模擬器中的固定模塊化元素，提出了改進方案。本發(fā)明亦對微觀交通模擬器的仿真計算模型進行了改進，使其既包含交通環(huán)境信息又包括駕駛員的操作信息，這樣既可以通過利用微觀交通流仿真器中的交通流模型，大大提高實驗平臺對交通流行為的實驗精度，又可以通過駕駛模擬器的數據采集模塊和相應的傳感系統(tǒng)實時的傳輸駕駛員操作信號，增強了實驗平臺對個性交通行為的分析能力。另外，本發(fā)明提供了一種實現微觀交通仿真器與駕駛模擬器的交互的方法。具體而言，一方面，駕駛模擬器的操作信號能夠通過一系列數據讀寫和轉換模塊，轉化為微觀交通仿真器能夠識別的數據信號，改變微觀交通仿真器中試驗車的相關參數，進而通過微觀交通仿真器的仿真計算模型改變交通運行狀態(tài)；另一方面，微觀交通仿真器能夠可視化顯示實時交通狀態(tài)，因此影響駕駛員的判斷、決策和操作。該方法具有實施容易、實驗互動性強、實驗精度高且應用成本低的特點。


圖1是本發(fā)明微觀交通仿真器與駕駛模擬器交互式一體化實驗平臺的實施流程 圖2是駕駛模擬器決策信息提取模塊框 圖3是駕駛模擬器在駕駛員減速直行過程中輸出的操作數據；
圖4是駕駛模擬器數據與微觀交通仿真器相關參數轉化模塊框 圖5是試驗車及其周圍相關車輛所需數據提取模塊框圖。
具體實施例方式下面通過實施例結合附圖進一步說明本發(fā)明。實施例:本研究是在結合了傳統(tǒng)駕駛模擬器和先進的微觀交通仿真器的基礎上，構建的微觀交通仿真器與駕駛模擬器交互式一體化的實驗平臺。下面結合附圖1對本發(fā)明的具體實施步驟作詳細說明，本實施實例是在以本發(fā)明技術方案為前提下進行實施的，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施實例，另外需要說明的是本發(fā)明中提到的微觀交通仿真器和駕駛模擬器并不限于某種特定的微觀交通仿真器和駕駛模擬器。本實施實例以Logitech G27(方向盤、檔位和踏板三大組件)駕駛模擬器和VISSM
5.40版本微觀交通仿真器為基礎，以上海市內環(huán)高架某路段上匝道為模擬場景，進行駕駛員的分心駕駛實驗。具體步驟如下:
(I)建立試驗場景
通過現場拍攝視頻，進而獲得模擬路段快速路的車道數、車道寬度、路段長度、上下匝道位置等道路基本參數，應用VISSM微觀交通仿真器建立實驗場景，包括按照實驗需求建立符合實際的路網。另外，還要在路網中加入現實中的交通組織管理策略，如匝道入口信號控制參數、快速路換道控制和交織規(guī)則等。接下來，通過VISSM相關功能加入符合實際的典型交通量和車型比例，觀察VISS頂中的交通運行狀況是否與實際相符合，如果不符需要找出問題原因，進一步調整路網和交通組織管理策略，直到VISSIM中的仿真效果能貼近實際情況為止。在已建立好的試驗場景中設置實驗所需的交通環(huán)境條件，本實驗需要在VISSM中調整交通量，使得快速路上的交通量分別達到高密穩(wěn)定流、接近飽和狀態(tài)和過飽和狀態(tài)，在三種不同的交通量條件下分別進行實驗。(2)選取試驗車
運行VISSM仿真，待交通流狀態(tài)穩(wěn)定時，選取高架路西側入口出現一黑色車輛為試驗車，在仿真運行過程中記錄該車輛的ID，并且賦值給相應的控制模塊。(3)提取和轉化駕駛模擬器的操作信號
利用數據讀取和轉化模塊完成對Logitech G27駕駛模擬器操作信號的實時提取，將駕駛員的操作信號轉化為數據信息，將加減速信號轉化為踏板力度值，將轉彎信號轉化為方向盤變化角度。踏板力度值用實際踏板幅度占踏板最大幅度的比例表示，油門踏板用0到I的正數表示，剎車踏板用-1到0的負數表示；方向盤變化角度數據可用實際轉角占最大轉角的比例表示，左轉為-1到0負數，右轉為0到I的正數。將轉化以后的駕駛模擬器操作數據信息存儲在數據文件中。圖2顯示了程序的流程，圖3顯示了試驗車在減速直行過程中產生的操作數據。(4)微觀交通仿真器讀取駕駛模擬器操作數據
通過VISSIM的外部駕駛員模型，讀取存儲駕駛模擬器操作數據的文件，并且通過相關模塊進行數據的處理，最后將反映駕駛員操作的數據傳輸至試驗車的對應參數中。具體而言，駕駛模擬器的踏板數據可以作為改變試驗車速度和加速度的變量，駕駛模擬器的方向盤數據可以作為改變試驗車轉向、轉角和變道的數據。如圖4所示。在實驗過程中將所有數據模塊集成到VISSM的外部駕駛員模型中，這樣在實驗仿真過程中，既能實現駕駛員通過駕駛模擬器實時控制試驗車的狀態(tài)，又能使仿真場景中的其他車輛和交通策略能夠按照VISSM固有的方法正常運行，利用VISSM固有的交通仿真器在路網中反映試驗車造成的影響。(5)試驗車及其周圍車輛特征數據提取
在實驗過程中，使駕駛員分別以集中精力、打電話、發(fā)短信三種駕駛行為進行駕駛，將實驗數據存儲在數據存儲模塊中。通過VISSM的外部駕駛員模型，從VISSM的數據存儲模塊中提取進行下一步研究的所需數據，這些數據包括仿真時間，試驗車及在試驗車周圍車輛的坐標、速度、加速度，車道變換，車輛行駛方向與道路中心線所成角度，車輛與試驗車的車頭空距等。如圖5所示。
權利要求
1.一種實現微觀交通仿真器與駕駛模擬器交互式一體化的方法，其特征在于具體步驟如下: (1)在微觀交通仿真器中建立實驗所需的交通環(huán)境，所述交通環(huán)境包括道路網絡信息、交通組織管理策略信息以及交通流的基本參數； (2)選取試驗車 運行交通仿真，待交通流狀態(tài)穩(wěn)定時，根據實驗需要，選擇在某一適宜時間和適宜位置出現的車輛選取為試驗車，在仿真運行過程中記錄該車輛的ID，并且賦值給相應的控制模塊； (3)利用數據讀取和轉化模塊完成對駕駛模擬器操作信號的實時提取，將提取的駕駛員的操作信號轉化為數據信息，然后，利用數據讀取和轉化模塊提取駕駛模擬器中反映駕駛員操作的數據信息，并且將其存儲在數據文件中，文件類型可以是數據庫文件或文本文件； (4)在微觀交通仿真器中嵌入數據讀取和轉化模塊，令微觀交通仿真器同步讀取存儲反應駕駛員操作的數據文件，并通過相應轉化函數使反應駕駛員操作的數據文件轉化為微觀交通仿真器能夠識別的數據，將反映駕駛員操作的數據文件傳輸至試驗車的對應參數中，實現微觀交通仿真器中的試驗車按駕駛員的操作行駛；同時數據讀取和轉化模塊對仿真環(huán)境中非試驗車輛的相關參數進行保護，使其按照微觀交通仿真器中固有的仿真策略行駛； (5)利用數據讀取和轉化模塊訪問微觀交通仿真器的數據庫模塊，將仿真過程中實時產生的試驗車數據及周圍相關車輛數據，從微觀交通仿真器中數據庫模塊中提取出來，存儲在數據文件中，進行實驗評價。
2.根據權利要求1所述的實現微觀交通仿真器與駕駛模擬器交互式一體化的方法，其特征在于步驟(I)中所述道路網絡信息包括:路段的布局，道路的幾何特征，交叉口或者匝道口的流向控制，路段上的行為類型和坡度及費用。
3.根據權利要求1所述的實現微觀交通仿真器與駕駛模擬器交互式一體化的方法，其特征在于步驟(I)中所述交通組織管理策略信息包括:減速或者停車控制，交叉口的信號控制，路段上的換道控制，沖突點、交織區(qū)和分合流點的優(yōu)先通行策略。
4.根據權利要求1所述的實現微觀交通仿真器與駕駛模擬器交互式一體化的方法，其特征在于步驟(I)中交通流基本參數包括:道路各個方向上的流量，車輛的類型和車輛組成結構，車輛的駕駛行為數據如跟車、變道、橫向行為基本參數，以及對交通信號的反應情況。
5.根據權利要求1所述的實現微觀交通仿真器與駕駛模擬器交互式一體化的方法，其特征在于步驟(3)中駕駛模擬器提取的數據信息包括:駕駛模擬器的方向盤角度，油門和剎車踏板的力度。
6.根據權利要求1所述的實現微觀交通仿真器與駕駛模擬器交互式一體化的方法，其特征在于步驟(4)中微觀交通仿真器與駕駛模擬器能夠相互影響；一方面，駕駛模擬器的數據能夠改變微觀交 通仿真器中試驗車的數據，進而通過微觀交通仿真器的模擬模型改變交通運行狀態(tài)；另一方面，微觀交通仿真器能夠可視化顯示實時交通狀態(tài)，因此影響駕駛模擬器駕駛車輛的判斷、決策和操作。
7.根據權利要求1所述的實現微觀交通仿真器與駕駛模擬器交互式一體化的方法，其特征在于步驟(5)中試驗車數據及相關車輛數據可以有選擇的提取，包括:仿真時間，試驗車及試驗車周圍車輛的坐標、速度、加速度，車道變換，車輛行駛方向與道路中心線所成角度，車輛與試驗車的 車頭空距。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種實現微觀交通仿真器與駕駛模擬器交互式一體化實驗平臺的方法。將駕駛模擬器的數據導入微觀交通仿真器中，控制微觀交通仿真器中的車輛，實現微觀交通仿真器與駕駛模擬器一體化。該方法包含以下步驟(1)在微觀交通仿真器中建立實驗所需的交通環(huán)境；(2)提取駕駛模擬器中駕駛員操作的數據；(3)令微觀交通仿真器讀取存儲駕駛員操作數據，改變試驗車運行參數，使試驗車按駕駛員的操作行駛，同時使仿真環(huán)境中的其他車輛按照微觀交通仿真器中固有的仿真策略行駛；(4)提取相關數據，進行實驗評價。本發(fā)明能夠對現實中的道路交通運行狀況進行很好的模擬，為駕駛員提供更加真實的虛擬實驗場景，顯著提高駕駛模擬器的應用范圍，提高駕駛模擬實驗的可信度和準確度。
文檔編號G06F17/50GK103164579SQ20131008113
公開日2013年6月19日 申請日期2013年3月14日 優(yōu)先權日2013年3月14日
發(fā)明者馬子安, 牛德寧, 趙聰, 孫劍 申請人:同濟大學